一、系统方案比较与选择

1.1 比较与选择

本系统主要由主控模块、显示模块、数据采集模块、放大电路部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1.1 主控模块的论证与选择

方案一：传统的 51 单片机为 8 位机，价格便宜，控制简单，但是片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和现实快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。

方案二：采用 STC89C52 单片机。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能；存储容量也比传统的51 单片机要大，可以存储更大体积的程序。在单芯片上，拥有灵巧 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash。

方案三：主控模块采用 FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的主控制器；将所有的器件集成在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，可拓展性能好；而且 FPGA 采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA 有方便的开发环境的丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但 FPGA 成本偏高、且这种控制模块我们并不熟知，软件编程十分困难。

综合以上三种方案，由于方案二功能多易使用，且成本低，选择方案二。

1.1.2 显示模块的论证与选择

显示模块负责实时显示时间,实时指示用电器的工作状态并显示电源线上的电特征参数。

方案一：使用数码管显示，通过数码管实时显示时间，实时指示用电器的工作状态并显示电源线上的电特征参数。该方案程序简单，但硬件占用单片机 I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，显示不够直观灵活

方案二：用 LCD1602 液晶屏实时显示时间，实时指示用电器的工作状态并

显示电源线上的电特征参数。LCD1602 液晶屏位数多，可显示 32 位，32 个数码管体积相当庞大了。显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而 1602 自动完成此功能。

综合以上三种方案，显然是第二种方案为最优解，但由于不可抗拒因素，LCD1602 损坏，所以选用方案一。

1.1.3 数据采集模块的论证与选择

方案一:利用电流互感器，将主电路中大电流转化为小电流，再将小电流转化为电压量纲，使用 ADC0809 进行采样并分析。此方案在实践中电流互感器易受干扰，信噪比较低，会造成采样不准等问题。

方案二:利用 10m Ω电阻进行电流采样，通过对电阻两端的电压值使用ADC0809 测量，由欧姆定律可得出其电流值，并对其进行监测与分析。此种方案信噪比较方案一高，故其可行性较高。

由于比赛要求使用电流互感器作为数据采集部分，所以选用方案一。

1.1.4 放大电路的论证与选择

方案一：LM358 为一款通用型运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

方案二：74HC244 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，但价格较高。

综合以上两种方案，根据实际测量与运用方案一更加适合，因此选用方案

1.2 方案描述

本系统利用电流互感器，将主电路中的大电流转化为小电流，再将小电流转化为电压量纲进行 AD 采样并分析。通过分析结果以分辨各个档位电流的用电器。

二、理论分析与计算

2.1 电压放大电路的计算

本设计运用运算放大器构成反相放大电路，其输出电压由公式：

本设计取放大倍数 2 倍和 10 倍，定𝑅𝑓=1K，所以𝑅1取 2K 与 10K。则其增益𝐴𝑣=2 与 10。

2.2 AD 采样的计算

本设计选用 ADC0809，其为 8 位 AD 转换器，假定基准电压为 5V，则其采样分辨率为：

2.3 最小电流负载计算

由题目要求，需自制可识别最小电流负载，且最小电流为 5mA，故可求其阻值为:

三、电路与程序设计

3.1 系统总体框图

3.2 软件程序流程设计

3.2.1 程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现用电器种类识别、用电器种类与参数的显示。

1)用电器的种类识别:通过采集采样电阻两端的电压值，对电压值进行累次求和，找出不同种用电器之间的区别。

2）显示部分:显示电流值、电压值、用电器种类。

2、程序设计思路

1）用电器的种类识别:将采集的数据与预先学习好的数据进行比对，找出待测用电器与其他用电器特征参量，查表比对。

2）学习功能:将所学习的用电器参数进行储存，并进行建表操作。当再次出现此用电器时，查表比对，找出用电器种类。

3.2.2 程序流程图

如图 2 程序流程所示。

图 2 程序流程框图

四、测试方案与测试结果

4.1 测试方案

1）通过将单片机所采集的电压、电流、功率、功率因数值与功率计所显示的数值进行对比，计算测量精度。

2）通过接不同种用电器，观察检测结果是否正确。

3）通过增减用电器数量，观察检测结果是否正确。

4）通过调节用电器不同档位，观察检测结果是否正确。

5）在开关电源零线上串联万用表，观察电路电流。

4.2 测试条件与仪器

测试条件:检查多次，硬件电路与原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器:高精度的万用表，功率计，数字示波器。

4.3 测试结果与分析

4.3.1 测试结果

4.3.2 测试分析与结论

根据上述测试数据，合理设置各种用电器的参数范围，并利用单片机进行处理，即可显示用电器种类与电参数。

综上所述，本设计达到设计要求。